Kemijski element cirkonija

Cirkonij (Zr), kemijski element, metal grupe 4 (IVb) periodičke tablice, koji se koristi kao konstrukcijski materijal za nuklearne reaktore.

Svojstva elementa

atomski broj	40
atomska težina	91,22
talište	1.852 ° C
vrelište	3.588 ° C
specifična gravitacija	6,49 na 20 ° C (68 ° F)
oksidacijsko stanje	4
konfiguracija elektrona	[Kr] 4d ² 5s ²

Svojstva, pojava i upotreba

Cirkonij, nejasan prije kasnih četrdesetih, postao je značajan inženjerski materijal za primjenu nuklearne energije jer je vrlo transparentan za neutrone. Element je identificiran (1789) u cirkonu, ZrSiO ₄ (cirkonijev ortosilikat), iz njegovog oksida njemački je kemičar Martin Heinrich Klaproth, a metal je izolirao (1824) u nečistom obliku švedski kemičar Jöns Jacob Berzelius. Nečisti metal, čak i kad je čist 99 posto, tvrd je i lomljiv. Bijeli, mekani, kovani i duktilni metal više čistoće prvi su u količini (1925.) proizveli nizozemski kemičari Anton E. van Arkel i JH de Boer termičkim raspadanjem tetraiodida cirkonija, ZrI ₄, U ranim četrdesetim godinama prošlog stoljeća, William Justin Kroll iz Luksemburga razvio je jeftiniji postupak izrade metala koji se temelji na redukciji cirkonijevog tetraklorida, ZrCl ₄, magnezijem. Početkom 21. stoljeća vodeći proizvođači cirkonija uključuju Australiju, Južnu Afriku, Kinu i Indoneziju; Mozambik, Indija i Šri Lanka bili su dodatni proizvođači.

Cirkonij je relativno obilan u Zemljinoj kori, ali ne u koncentriranim naslagama, a karakteristično je uočen u zvijezdama tipa S. Mineral cirkon, koji se obično nalazi u aluvijalnim naslagama u koritima potoka, oceanskim plažama ili starim koritima jezera, jedini je komercijalni izvor cirkonija. Baddelejit, koji je u osnovi čisti cirkonijev dioksid, ZrO ₂, jedini je važan mineral cirkonija, ali komercijalni se proizvod jeftinije oporavlja od cirkona. Cirkonij se proizvodi istim postupkom kao i titanijum. Ti minerali cirkonija uglavnom sadrže sadržaj hafnija koji varira od nekoliko desetina od 1 do nekoliko posto. Za neke svrhe razdvajanje dva elementa nije važno: cirkonij koji sadrži oko 1 posto hafnija prihvatljiv je koliko i čisti cirkonij.

Najvažnija primjena cirkonija je u nuklearnim reaktorima za oblaganje gorivnih šipki, za legiranje uranom i za strukture jezgre reaktora zbog jedinstvene kombinacije svojstava. Cirkonij ima dobru čvrstoću na povišenim temperaturama, odupire se koroziji od brzo cirkulirajućih rashladnih sredstava, ne tvori visoko radioaktivne izotope i podnosi mehanička oštećenja od bombardiranja neutronom. Hafnij prisutan u svim cirkonijevim rudama mora se pažljivo ukloniti iz metala namijenjenog za upotrebu reaktora, jer hafnij snažno apsorbira toplinske neutrone.

Razdvajanje hafnija i cirkonija obično se provodi postupkom ekstrakcije tekućeg-tekućeg u tekućem. U postupku se rastvara nepročišćeni tetraklorid cirkonija u vodenoj otopini amonijevog tiocijanata, a metil izobutil keton propušta suprotno od vodene smjese, čime se preferirano ekstrahira hafnij tetraklorid.

Atomski radijusi cirkonija i hafnija su 1,45 i 1,44 A, dok su polumjeri iona Zr ⁴⁺, 0,74 A i Hf ⁴⁺, 0,75 Å. Virtualni identitet atomske i ionske veličine koji je posljedica lantanoidne kontrakcije ima za posljedicu stvaranje kemijskog ponašanja ova dva elementa sličnog nego za bilo koji drugi par elemenata poznat. Iako je kemija hafnija proučavana manje od cirkonijum-a, dva su toliko slična da bi se mogle očekivati samo vrlo male kvantitativne razlike - na primjer, u topljivosti i isparljivosti tvari - u slučajevima koji zapravo nisu istraženi.

Cirkonij u zadivljujućim količinama apsorbira kisik, dušik i vodik. Na oko 800 ° C (1500 ° F) kombinira kemijski s kisikom, čime se dobiva oksid, ZrO ₂. Cirkonij smanjuje takve vatrostalne tvari u obliku lonca kao što su magnezijevi oksidi, berilij i torij. Ovaj snažni afinitet prema kisiku i drugim plinovima objašnjava njegovu uporabu kao skupljača za uklanjanje zaostalih plinova u epruvetama elektrona. Pri normalnim temperaturama na zraku, cirkonij je pasivan zbog stvaranja zaštitnog filma oksida ili nitrida. Čak i bez ovog filma, metal je otporan na djelovanje slabih kiselina i kiselih soli. Najbolje je da se otopi u fluorovodičnoj kiselini, a u tom postupku važno je stvaranje anionskih fluoro-kompleksa za stabilizaciju otopine. Pri normalnim temperaturama nije naročito reaktivan, ali postaje poprilično reaktivan s nizom nemetala na povišenim temperaturama. Zbog visoke otpornosti na koroziju, cirkonij je pronašao široku primjenu u proizvodnji pumpi, ventila i izmjenjivača topline. Cirkonij se koristi i kao legirajuće sredstvo u proizvodnji nekih magnezijevih legura i kao dodatak u proizvodnji određenih čelika.

Prirodni cirkonij je mješavina pet stabilnih izotopa: cirkonij-90 (51,46 posto), cirkonij-91 (11,23 posto), cirkonij-92 (17,11 posto), cirkonij-94 (17,40 posto), cirkonij-96 (2,80 posto). Postoje dva alotropa: ispod 862 ° C (1,584 ° F) šesterokutna građevina zatvorena, iznad te temperature kubik centriran u tijelo.